SAGA-LS電子蓄積リングにおける超伝導ウィグラー2台運用プロジェクト

概要と現状

Overview of the project of two superconducting wiggler operation and current status at the SAGA-LS electron storage ring

低エネルギー入射のコンパクト蓄積リングにおいて2台の超伝導ウィグラー運用に必要だったこと

岩崎 能尊、高林 雄一、金安 達夫、江田 茂

SAGA Light Source1

Outline

1. Introduction

2. 2台の超伝導ウィグラー運用条件と方針

3. 準備内容

4. 制御システム更新

5. コミッショニング

6. 現在の運用状況

7. まとめ

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1. Introduction

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SAGA-LS概要

SAGA-LS 4T超伝導ウィグラー（SCW）スペック

2台目SCWの検討

SAGA-LSリニアック

全長：30 m

エネルギー：255 MeV

蓄積リング

全長：75.6 m

エネルギー：1.4 GeV

蓄積電流：300 mA

ラティス：DB（8回対称）

エミッタンス：25 nm·rad

4分で1.4 GeVまで加速

15分間でSCW励磁・消磁

挿入光源：APPLE-II, Planar,

SCW

4

5

入射

ランプアップ（4分）

SCW励磁（15分）

垂直方向ビームサイズ調整

ユーザー運転

SCW消磁（15分）

ビームダンプ

火曜日は1日2回入射、その他の曜日は1日1回入射

運転サイクル

SAGA-LS SCWの目的

4Tハイブリッド型超伝導ウィグラー

εc=5.2 keV, 30keV程度までのハードX線利用のニーズに対応

（偏向電磁石光源：εc=1.9 keV）

安定した運転実績

Hard-X-rayBeamline:

protein crystallography; X-ray tomography; X-ray absorption fine structure

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SAGA-LS 4 T Superconducting wiggler

4T超伝導ウィグラー仕様磁場 4.0T線材 NbTi/Cu磁極 純鉄磁極間ギャップ 82 mm定格電流 172 Aコイル内最大磁場 6.0 T臨界温度@定格時 6.7 Kコイル蓄積エネルギー 48 kJ起磁力 438 kAT

平均電流密度 147 A/mm2

磁場 0.95 T磁極 純鉄磁極間ギャップ 36 mm定格電流 325 A起磁力 14.5 kAT/pole

電流密度 4.7 A/mm2

超伝導メインポール

常伝導サイドポール

Gifford-McMahon (GM) 冷凍機による冷却（メインポール）

S. Koda et al., Design of a superconducting wiggler for the SAGA light source storage ring, IEEE Trans. Appl. Supercond. 21 (2011) 32. T. Semba et al., Design and manufacture of superconducting magnet for the wiggler in SAGA-LS, in IEEE Proceedings, IPAC’10, 2010, p. 358.M. Abe et al., Magnetic field design of a superconducting wiggler in the SAGA-LS storage ring, IEEE Trans. Appl. Supercond. 24(2) (2014).

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2台目SCW検討開始2台目となる超伝導ウィグラー（LS5W）検討開始

（住友電気工業株式会社BL16ハードX線ビームライン用光源）

仕様は一台目SCW（LS2W）と同じ

課題：2台のSCWによる強いビームへの影響をどう抑制するか

励磁中の大きなCOD

励磁中の大きなチューンシフト

クロマティシティーシフト

カップリング変化

ベーター関数の歪み

ダイナミックアパーチャー縮小

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2. 2台のSCW運用条件と方針

• 2台のSCWを同時に励磁できること（励磁時間15分）

⇒SCWによる強いビームへの影響を励磁中においても

十分に抑制

• 1台でも2台でもオペレーション手続きが容易

⇒LS5Wのための補償システムはLS2Wとは独立かつローカル

・従来シリーズに接続されてきた4極電磁石ダブレットの

一部を独立電源化（チューンシフト補正）

・多極成分電磁石の設置（ローカルクロマティシティ補正）

・フィードフォワード方式によるSCW励磁中の補正

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LS5W用のローカル補償システム

• Dipole:

Horizontal: サイドポールマグネットの励磁パターンの最適化

Vertical: 6極内蔵のステアリング

• Qudrupole: SCW上下流の4極ダブレット

• Sextupole: 多極成分電磁石10

3. LS5W準備内容

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4極電磁石の一部独立電源化

多極成分電磁石

真空槽入れ換え

受電設備増設

冷却水ポート増設

制御システム更新

・超伝導ウィグラー2台運用プロジェクト概要

2013年 2014年 2015年 2016年

5月:LS5W用補償電磁石検討開始

2012年2011年2010年

3月:多極成分電磁石インストール

8月:受電設備増設

9月:4極電磁石配線変更

10月:新4極電磁石電源設置

3月:真空槽入れ替え

8月:ウィグラー設置

10月:コミッショニング開始

2016/7/5～2台の超伝導ウィグラーユーザー運転開始

10月:制御システム変更

LS5W運用準備

コミッショニング

現在の運用状況

制御システムの更新

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2月29日:2台同時励磁成功

配線工事

September, 2014

4極電磁石ダブレット

QF1-10, QF1-11

QD1-10, QD1-11

を独立電源化

（QFW2, QDW2）

QF1

QFW

1

LS2

W

QF1

QFW

1Q

FW2

LS2

W

・4極電磁石の一部独立電源化

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May,2012

・多極成分電磁石の設置

ボア径： 168 mmアンペアターン：5400 AT/極

Skew 4極成分： 1.7 T/m6極成分： 40 T/m2

8極成分： 105 T/m3

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LS5, 4極電磁石部、偏向電磁石部、

多極成分電磁石の移動, May, 2015

・真空槽入れ換え

T.Kaneyasu et al., Vacuum Condition of the Beam Duct After the Replacement for Installing the Superconducting Wiggler at SAGA-LS, Proceedings of the 13the Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, (2016). T. Kaneyasu et al., Installation of a second superconducting wiggler at SAGA-LS, in: AIP Conf. Proceedings, SRI 2015 (2015).

多極成分電磁石の配置換え

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August, 2015 ・LS5Wインストール

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4. 制御システム更新

4極電磁石の一部独立電源化に伴う蓄積リング電磁石電源制御システムの更新

SCWに追従したフィードフォワード制御開発

外部DCCTによる新4極電磁石電源フィードバック制御追加

運転用アプリケーションGUI制作

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蓄積リング電磁石電源制御システムの更新

“SAGA-LS電子蓄積リング電磁石電源制御系の更新”, Y. Iwasaki et al., 2014 加速器学会

October, 2014

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新4極電磁石電源は、ランプアップさせる必要がある。

PLCのシングルCPUモジュールと光リンクによる子機の構成で1msec程度の同期性を確保

既存システムの拡張

コミッショニングのポリシー

1号機（LS2W）に起因する励磁中におけるビームへの影響をLS5W設置前にできるだけ抑制しておく。

LS2Wは運用当初、励磁完了後にチューン補正、クロマティシティー補正を行っていた。

2号機（LS5W）に起因するCODは可能な限り抑制する。

補償制御システムの整備

メインポールの励磁電流に追従したフィードフォワード補償システムの構築（LS2W, LS5W）。

5. コミッショニング

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COD(Horizontal)

サイドポール電磁石励磁パターンの最適化

目標：Dx<1mm

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・2極成分（LS5W）

Outer directionInner directionRMS

COD(Vertical)

LS5Wに隣接する6極電磁石内臓ステアリング

目標：Dy<1mm

Vertical CODが生じる原因は不明。

SCW励磁後にグローバルCOD補正。

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・2極成分（LS5W）

Upper directionLower directionRMS

Tune Shift フィードフォワード補正

QFW2, QDW2による補正、目標：Dn<0.01

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・4極成分（LS5W）

Before excitation After excitation Dn

Horizontal Tune 5.786 5.794 0.008

Vertical Tune 1.814 1.808 -0.006

Before excitation After excitation Dn

Horizontal Tune 5.778 5.747 -0.031

Vertical Tune 1.802 1.874 0.072

補正前

補正後

Chromaticity補正

ξx～3, ξy～3

多極成分電磁石：

6極電磁石として使用

Beforeexcitation

After excitation(no correction)

After excitation(with correction)

Horizontal 3.13 2.40 3.03Vertical 2.95 3.75 2.91

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0 5 10 15 20 25 302

2.5

3

3.5

4

Multipole Strength (A)

Chromaticity

Horizontal

Vertical

・6極成分（LS5W）

6. 現在の運用状況

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・大幅なビーム寿命の減少はない。

・他のBL放射光実験への影響はない。

常時2台のSCWを運用したユーザー運転を開始

まとめ• 2台の超伝導ウィグラーを励磁した安定したビーム蓄積を可能とした。

•超伝導ウィグラーによる強いビームへの影響は、個々独立に補正した。

• LS5Wの励磁に起因するビームへの影響はローカルに補正した。 1部4極電磁石ダブレットの独立電源化多極成分電磁石によるクロマティシティー補正

• SCW励磁中におけるビームへの影響はフィードフォワード方式により補正した。

• 2台のSCW運転時に他の放射光ビームラインへの影響はなかった。

•ビーム寿命の詳細については調査中。

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LS2W LS5Wと多極成分電磁石

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SAGA-LSは低エネルギー入射方式のコンパクトな電子蓄積リングであるが、2台の4T SCWの同時運用を開始した。

複数（2本）のハードX線ビームラインの運用が可能となった。

2016年7月5日より、2台の4T超伝導ウィグラーを励磁したSAGA-LS蓄積リングユーザー運転を開始した。

現在まで安定したユーザー運転を行っている。

謝辞

•住友電気工業株式会社

山口浩司氏、飯原順次氏

•株式会社日立製作所

山本勉氏、阿部充志氏、仙波智行氏

他関係者 様

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ご清聴ありがとうございました。

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